一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于吸/吹气技术的可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，特别适 用于大跨度斜拉、悬索桥等的超高桥塔结构，以有效减小桥塔在强/台风作用下的风致振 动响应。
【背景技术】
[0002] 风灾是自然灾害中发生最频繁的一种。近年来，全球气候变化较大，台风等强风天 气显得更加猖獗，风灾损失逐年增加。我国当前正处于交通工程建设的蓬勃发展阶段，大量 特大跨径桥梁结构不断涌现，桥梁主跨不断被刷新。这些大跨径桥梁结构对强/台风作用 更加敏感，其在各类动力荷载作用下的振动幅度随着桥跨的增加而不断增大，因此，对这些 大跨度桥梁进行全面合理的抗风设计和振动控制必不可少。
[0003] 结构振动控制是当前工程界研宄的热点之一。在大跨度斜拉、悬索桥体系风振控 制中，空气动力学和机械阻尼等措施采用较多。其中，空气动力学措施（包括被动、半主动 和主动控制）是当前控制桥梁结构风荷载和风致振动响应最为重要的手段之一，近半个世 纪以来得到了广泛的研宄和应用。流动控制被认为是当前空气动力学最有发展潜力的研宄 领域之一，是指采取一定的局部控制措施来改变钝体或流线体周围的全局流场，从而实现 控制流动分离、改善绕流性能、减少阻力等目的的控制方法。
[0004] 主动流动控制是指借助某种手段对流线体或钝体边界施加某些附加条件，从而实 现物体周围的绕流分离。主动流动控制仅仅通过对流场中某些临界点进行控制就可以对整 个流场产生影响，还可以实现对复杂动力系统的高效相位控制，使其备受关注。吸/吹气法 是主动流动控制领域近些年发展起来的一种控制方法，吸气法是通过对分离剪切层中螺旋 状旋涡和边界层中即将分离的低速流动部分进行吸除，从而减少结构风效应并控制结构风 致振动。吹气法则是通过对边界层中受粘性和逆压梯度阻挠而停滞不前的流体等施加额外 的动量，从而抑制流体分离的发展。
[0005] 零质量射流技术发展于20世纪90年代，经过近20年的发展已相对成熟，使实现 大跨度桥梁桥塔结构基于吸/吹气方法的主动流动控制成为可能。通过对旋涡结构的融合 控制可以实现这种零质量射流的"合成"，高动量的变频流动控制可以通过微小型激励器的 调节来实现，因而有效降低了系统体量，弥补了常规均匀吸/吹气控制技术的不足。在大跨 度桥梁的桥塔结构上合理有效的布置安装此类射流装置，可以起到控制桥梁风荷载和风致 振动的作用，提升大跨度桥梁桥塔结构的抗风能力。
[0006] 近年来传感器技术、自动化控制技术等得到了飞速发展，相关理论也不断完善。风 速、风压和加速度等传感器的采样频率以及测试精度不断提升，如Gill风速风向仪的采样 频率已可达100Hz。数据传输技术也逐步实现了无线化和智能化，抗干扰和屏蔽能力不断提 升。控制技术领域的时滞问题也由于同步技术的应用而得到了较好地解决。以上均为本新 型抗强风桥塔结构的实现提供了强有力的技术支持。
[0007] 可以预见，随着现代经济和交通运输的迅速发展，具有超强跨越能力的悬索桥、斜 拉桥将会有着更为广阔的工程应用前景。伴随着缆索支承桥梁体系跨径的不断增加，相应 的桥塔结构也将越来越高，对超高桥塔结构进行控制也因此显得更加迫切。如何将结构抗 风新技术应用于桥塔结构的抗风，以减小桥塔结构的风致振动响应将备受关注。
【发明内容】
[0008] 技术问题：本发明的目的是提供一种可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，在不改 变原有桥塔主要形状的同时，在桥塔上布设零质量射流装置以及主动流动控制系统，以减 小作用在桥塔结构上的风荷载、控制桥塔结构的风致振动。
[0009] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种可抗强/台风的大跨度桥梁 用桥塔，包括桥塔主体结构，所述桥塔主体结构上安装有传感器子系统和零质量射流装置， 所述传感器子系统通过数据采集传输和存储子系统连接到阈值判定子系统，所述零质量射 流装置连接到供能系统和阈值判定子系统。
[0010] 具体地，所述传感器子系统包括风速风向仪、加速度传感器和风压计，所述传感器 子系统采集桥址区风速风向数据、桥塔结构的加速度和风压数据以及主体结构振动数据； 所述数据采集传输和存储子系统将采集的数据通过无线传输设备传递给阈值判定子系统， 所述阈值判定子系统对实测数据采用统计方法建立各个指标的概率分布曲线，预先设定的 各自上分位点对应的指标值，作为零质量射流装置的动作阈值。
[0011] 本发明的基于吸/吹气原理的可抗强/台风的大跨度桥梁用桥塔，包括塔柱、塔柱 间横梁、零质量射流装置、风速风向仪、风压计、加速度传感器、中心机房和基于风能效应的 大跨径桥梁自供能系统；其中，塔柱和塔柱间横梁构成桥塔的主体结构，以承受缆、索传来 的荷载；风速风向仪、风压计、加速度传感器、零质量射流装置以及中心机房构成主动流动 控制系统。
[0012] 在保证桥塔承载能力和正常使用的同时，将零质量射流装置安装在桥塔横梁和塔 柱中，使之在接收到指令后，可发挥主动流动控制功能。新型桥塔结构的风效应主要取决于 吸/吹气流量系数，且与风速廓线有密切联系，而场地风速廓线的具体形状与该场地的地 表粗糙度直接关联。我国现行《公路桥梁设计规范》采用如下指数率模型来刻画风速廓线：
[0013]
(1)
[0014] 式⑴中，％和&分别表示2:与22高度处的风速，a是与地表粗糙度影响有关的 无量纲幂指数，可根据规范查表确定。依据式（1)，桥址区地表条件一定时，高处风速较大， 桥塔高处所受风荷载对桥塔结构的影响较大，因此对桥塔上部结构进行主动流动控制将取 得更好的控制效果。
[0015] 为此，本发明中所述桥塔的零质量射流装置安装于桥塔结构的上半部分，根据功 率与风速的平方成正比这一关系，输出功率从下向上也以指数形式增加：
[0016]
(2)
[0017] 式⑵中，4和孓分别表示ZJPZ2高度处的射流器输出功率，a同式⑴。
[0018] 输出功率的基准值孓依据作用于桥塔结构的等效静力风荷载来确定，桥塔结构的 风振系数参照式（3)确定后，即可得到相应的等效静力风荷载。
[0019]
(3)
[0020] 式⑶中，瓦(_，)和〇K(z)分别表示顺风向位移响应的均值和均方根，可以通过对桥 塔结构振动响应的监测数据进行统计分析得到。
[0021] 依据阵风荷载因子法得到的等效静力风荷载为：
[0022]
(4)
[0023] 式（4)中，7⑴为z高度处静力风荷载，可以通过实测或理论分析得到。至此，依据 模型试验与教倌律椋枋太律立等效静力风荷载和输出功率基准值之间的关系如下：
[0024]
(5)
[0025] 式（5)中，0为荷载功率转换系数，可以通过试验与数值模拟方法进行确定。
[0026] 本发明所述桥塔将中心机房安置于桥塔柱间横梁中，依据线性定常系统的受控运 动方程，中心机房对传感器传来的数据进行处理后，根据预先设定好的阈值判定子系统对 零质量射流装置是否启动进行判断，控制方程在数学上表示为状态空间方程，其离散形式 如下：
[0027] (6)
[0028] 式（6)中，上式为状态方程，下式为输出方程。A为状态系数矩阵，B为系统控制系 数矩阵，C为输出状态系数矩阵，D为输出控制系数矩阵。依据物理意义，设系统K时刻状 态X[K]，K+1时刻的状态为X[K+1]，计算机依据程序对系统进行控制，控制描述为U[K]，输 出描述为Y[K]，此时对系统K时刻控制的描述即可依据方程（6)进行。
[0029] 具体地，所述桥塔为具有塔柱和下横梁的H型桥塔，所述下横梁中安装有基于风 能效应的大跨径桥梁自供能系统电能储存及线路优化控制模块和中心机房。
[0030] 本发明所述桥塔风速风向仪、风压计、加速度传感器、中心机房及射流装置等的能 源供应可以依据本课题组已授权专利《一种基于风能效应的大跨径桥梁自供能系统》（发明 专利授权号：ZL201210566841X)来实现。
[0031] 本发明中所述的桥塔体系以H型桥塔为例，功能分区清晰，通过主动流动控制技 术的引入，以实现强/台风环境下超高桥塔结构风致振动的自动化控制。其中，通过在桥塔 塔柱的顶部设置风速风向仪，同时在射流装置